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2023年  第43卷  第4期

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发展战略
空间引力波探测综述与拟解决的科学问题
吴岳良, 胡文瑞, 王建宇, 常进, 蔡荣根, 张永合, 罗子人, 陆由俊, 周宇峰, 郭宗宽
2023, 43(4): 589-599. doi: 10.11728/cjss2023.04.yg08
摘要(1368) HTML全文 (270) PDF 1058KB(295)
摘要:
空间引力波探测将为人类探索宇宙打开中低频段（0.1 mHz～1 Hz）引力波观测的新窗口，这个频段的引力波事件被认为具有更重要的天文学、宇宙学以及物理学意义。其典型的波源包括超大和中等质量黑洞双星的并合、极端和中等质量比黑洞双星的绕转、银河系内数以百万计的致密双星系统以及随机引力波背景等，为研究宇宙起源与演化、黑洞形成与结构、引力和时空本质、暗能量和暗物质属性等提供了全新的方法和手段。21世纪以来，欧美联合的LISA计划成功发射了技术验证卫星LISA探路者，目前LISA计划已进入工程实施阶段，中国太极计划和天琴计划也相继发射了技术实验卫星太极一号和天琴一号，标志着空间引力波探测进入了全新的发展阶段。本文主要概述近年来国内外发展态势，详细凝炼空间引力波探测与研究的科学目标和未来发展的重点领域，系统优化引力波天文学、引力波物理学以及引力波宇宙学等相关学科布局，重点阐述推进空间引力波探测与研究的重要意义和发展战略。
空间物理
基于贝叶斯证据的全球地磁场模型主磁场阶数分析
马森, 马嘉卉, 佟继周, 李云龙
2023, 43(4): 600-608. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0009
摘要(664) HTML全文 (221) PDF 6901KB(125)
摘要:
全球主磁场模型描述了主磁场的时空分布特征。模型的主磁场阶数是构建主磁场模型的关键问题之一。使用贝叶斯推理分析全球主磁场模型，依据贝叶斯证据比较模型阶数，为主磁场的阶数分析提供一种统计依据。利用Swarm卫星磁测数据，估计不同阶数的主磁场模型的证据。结果表明，在1~20的模型阶数中，阶数N = 12具有全局最佳证据。参照Jefrrey’s scale的阈值区间，数据对阶数N = 12的偏好显著优于其他阶数。实验表明，主磁场阶数的证据推理可用于研究主磁场贡献，结果与14阶球谐函数的功率谱分析相匹配。
基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率
王玮, 张佼佼, 王赤, 邓翔, 蓝爱兰, 阎敬业
2023, 43(4): 609-617. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0028
摘要(535) HTML全文 (229) PDF 2010KB(55)
摘要:
利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据，对2018年3月至2019年11月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期（Kp < 3）和地磁扰动期（Kp > 3）的不规则体回波发生率变化特征，分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45°－64° MLAT范围内普遍存在，其中55°－64° MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45°－54° MLAT的地区，除了春秋分季外，地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。
低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验
赵港权, 王彩云, 刘大鹏, 李玲玲
2023, 43(4): 618-626. doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011
摘要(399) HTML全文 (126) PDF 2239KB(53)
摘要:
研制了一台低功耗电离层垂测仪，该系统采用新型Delta天线、可变接收时长和类巴克码脉冲编码设计，安装在宁夏银川地震监测试验场。2021年8月开展了全天连续观测试验，观测获得的科学数据验证了垂测仪的探测能力和探测效率。试验结果表明：F2层临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋势存在一定的正相关性；采用图像处理技术实现了原始频高图中O/X波自动分离，获得两极化波临界频率之差约为0.7 MHz，与银川当地0.5倍磁旋频率0.7 MHz基本一致。该电离层垂测仪系统运行稳定，试验数据可靠，对后续星地联合多维度探测和信号处理具有一定的算法参考和数据积累意义。
基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究
王煜, 张献中, 吴同, 张益健, 孙悦, 李世杰, 李欣岐, 钟凯, 闫召爱, 徐德刚, 姚建铨
2023, 43(4): 627-639. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0035
摘要(860) HTML全文 (152) PDF 1575KB(98)
摘要:
基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。
基于上层大气数值模型的X射线传输特性
吕致辉, 韦飞, 张轩谊, 彭松武, 冯鹏远
2023, 43(4): 640-646. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0063
摘要(324) HTML全文 (134) PDF 2094KB(35)
摘要:
核爆炸的大部分能量是以X射线形式释放的，研究X射线辐射特性对于天基核爆事件监测，当量反演都具有一定参考价值。根据核爆炸X射线能谱特性，构建了黑体辐射模型；根据NRLMSIS大气模型成分数据和高度密度数据，构建大气分层数值模型，并结合NIST数据库，构建分层大气质量吸收系数模型，提高了大气模型与大气质量吸收系数模型准确度。使用数值模拟程序对X射线在大气中的传输特性进行研究，模拟在临近空间高度核爆炸产生的X射线经过大气吸收后的能谱特性以及不同海拔高度点位的能注量。结果表明，在检测点高度恒定的情况下，斜径角变小会增大X射线传输路径，X射线经过的大气吸收路径越长，能谱峰值越往高能处偏移。在相同高度下，爆炸点的正上方处能注量最大，其他位置随着斜径角减小能注量呈指数级衰减。
行星科学
空间风化对C型小行星的光谱影响研究概述
周婷, 唐红, 缪秉魁, 曾小家, 夏志鹏, 于雯, 周传娇, 贺恩成
2023, 43(4): 647-660. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0058
摘要(484) HTML全文 (101) PDF 1412KB(64)
摘要:
C型小行星主要由硅酸盐矿物和含碳有机质组成，保存了太阳系形成初期的原始物质，是认识太阳系形成初期的重要物质，对研究水和生命起源与演化具有重要科学意义。目前对小行星物质组成的认识主要基于光谱特征分析，但长期的空间风化作用会改变小行星表面物质的光谱特征，所以认识小行星的物质组成需要准确厘清空间风化对光谱的影响。随着中国小行星探测工程的推进，迫切需要深入认识C型小行星的光谱特征及对空间风化的响应规律。为此，分析了C型小行星的反射率、水和有机质吸收等光谱特征以及空间风化的影响，提出研究存在的主要问题，进而指出了该研究方向的未来发展趋势和研究重点。
基于X射线掩星探测反演行星大气密度
余道淳, 李海涛, 李保权, 刘亚宁
2023, 43(4): 661-669. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0027
摘要(557) HTML全文 (173) PDF 1287KB(72)
摘要:
X射线掩星是一种常见的天文现象，基于X射线掩星探测的大气密度反演是一种涉及学科交叉的新方法，其通过处理高能X射线天体辐射源的掩星观测数据实现大气密度的反演，基本原理为X射线在大气中传播时，X射线光子被大气中的原子（包括分子中的原子）吸收和散射，从而导致X射线强度发生衰减，根据衰减后X射线信号的强度反演对应的密度廓线。本文根据X射线掩星探测的应用需求，论证了基于X射线掩星实现大气密度反演的新方法，重点介绍了光变曲线拟合和能谱拟合两种地球中高层大气密度反演算法，分析了X射线掩星探测反演大气密度的研究进展和研究方法，对基于X射线掩星反演大气密度的优点进行分析和讨论，进而对X射线掩星探测的应用场景进行展望。结果表明，作为一种新型中高层大气密度测量手段，X射线掩星探测可对中高层大气密度实现有效探测，弥补了目前中高层大气密度实测数据的不足。
微重力科学
航天器用丙烯环路热管的研究现状与展望
贾志超, 李国广, 吴琪, 刘晨鹏, 刘畅, 刘思学, 张红星, 苗建印
2023, 43(4): 670-682. doi: 10.11728/cjss2023.04.2023.04.yg06
摘要(825) HTML全文 (570) PDF 2467KB(111)
摘要:
环路热管是一种依靠毛细力驱动的高效两相传热装置，可解决高精度控温、大功率、远距离热传输等热控难题，广泛应用于各航天器。目前，大功率的航天器平台（例如新一代大功率通信卫星等）在存储或故障工况下，为维持辐射器生存温度需额外消耗能源，补偿较大的加热功率；木星系、太阳系边际等深空探测任务要求热控系统拓展其低温适应性。上述空间任务对具有低温适应性的丙烯环路热管技术提出了迫切需求。相比常用的氨工质，丙烯具有低冰点（–185℃）特性，丙烯工质环路热管可在低温下存储和运行，空间应用时不存在冻结风险（航天器辐射器温度一般不低于–150℃），无需额外补偿加热，提高了热控系统的低温适应性和可靠性。本文分析了丙烯环路热管的理论建模、稳态性能和动态特性实验研究现状及典型空间应用形式，对未来研究工作提出了建议。
黏弹性双自由面热毛细液层的不稳定性
胡棚辉, 胡开鑫
2023, 43(4): 683-693. doi: 10.11728/cjss2023.04.2023.04.yg07
摘要(276) HTML全文 (87) PDF 2195KB(44)
摘要:
在微重力条件下，双自由面液层是实现新型材料晶体生长的一种潜在方式，对其流动进行稳定性分析对于薄膜结晶等应用具有重要意义。本文采用线性稳定性理论研究了黏弹性双自由面热毛细液层的不稳定性。在不同Prandtl数(Pr)下得到临界Marangoni数(Mac)与弹性数(ε)的函数关系，并分析了临界模态的流场和能量机制。研究发现流场存在三种临界模态，分别是斜波、流向波和展向稳态，且三者均受弹性影响。小和高Pr的临界模态为斜波和流向波。在中等Pr下，随着ε的增加，临界模态由斜波变为流向波，最终变为展向稳态模态。在小Pr下，热点会随着ε的增大从液体层表面移动到内部。本研究还考查了溶剂黏度与总黏度比($\zeta $)对不稳定机制和临界模态的影响。在高Pr下，增加$\zeta $可以提高液体层的稳定性。然而在中小Pr下，增大$\zeta $会导致弱弹性处的流动变得不稳定。能量分析表明：在小Pr下，弱弹性处的扰动应力做功耗散能量，而在强弹性处则会提供能量。在中高Pr下，扰动动能的主要能量来源是表面张力做功，基本流做功可以忽略不计。将双自由面液层与单自由面液层进行对比发现，在Ma较小时，双自由面液层的弹性不稳定性更加明显。
微重力下低温液氪贮箱热力学特性
李文, 陈叔平, 朱鸣, 王鑫, 董超, 刘凯
2023, 43(4): 694-702. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0040
摘要(403) HTML全文 (93) PDF 2498KB(47)
摘要:
在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境。为研究其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元工作性能的影响，建立了微重力液氪贮箱CFD模型，采用VOF法及Lee气液相变理论，研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明：常重力g0下贮箱的压升率分别为10–4 g0，10–5 g0，10–6 g0的1.84倍、1.98倍、2.04倍，微重力下温度分层程度（2~3 K）远低于常重力（90 K）；不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势，且初始液氪温度越低，贮箱压升率越小；微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率，当初始充满率Ф>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大，当Ф<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。
基于XGBoost的空间高温材料实验炉控制系统建模
任俊竹, 肖志刚, 于强
2023, 43(4): 703-710. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061
摘要(345) HTML全文 (168) PDF 1164KB(51)
摘要:
为确保高温材料科学实验柜科学实验系统能够成功地进行空间材料科学实验，在空间进行高温材料科学实验的时候要求其温度稳定在±0.25℃范围内。面对如此之高的温度稳定度要求，提出一个新的解决方案：在实验输入和输出数据的基础上，确定一个与高温炉控制系统内部等价的模型，为获得满足实验要求的控制参数提供依据。本文将高温炉控制系统内部看作黑箱模型，基于XGBoost方法分别对四类样品实验的高温炉内部温区2和温区3进行建模，模型精确度全部可达到99.98%以上。与传统建模方式传递函数相对比，在传统方法表现最好的情况下，模型精度仍提高了3.8%，为获得控制参数以确保空间实验温度实现高稳定度提供了重要支持。
空间探测技术
超低轨卫星的空间环境特性及其力学与热学关键问题研究进展
黄劲, 常亮, 董佰扬, 刘泽宇, 韩圣星, 斯朝铭
2023, 43(4): 711-723. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0010
摘要(1871) HTML全文 (448) PDF 3280KB(233)
摘要:
超低轨道飞行器在遥感、科学研究等领域具有广泛的应用需求，已成为研究热点之一。由于超低轨的特殊空间环境限制，超低轨道飞行器需要面临和解决很多技术难点，主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文针对典型超低轨飞行器任务，研究了主要的大气模型及反演方法，并对模型数据进行了比对。结合多种气动被动稳定的案例，阐述了气动力计算的方法及气动结构设计的重要影响。介绍了气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法，阐述了超低轨卫星的气动热环境、仿真算法以及多种防热复合材料及其应用场景。详细分析了针对超低轨卫星的防热散热可变切换技术，并简要评述了各个方案的优缺点。研究结果有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验验证，将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。
Meteoroid and Space Debris Risk Assessment for Satellites Orbiting the Earth/Moon
2023, 43(4): 724-735. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0065
摘要(298) HTML全文 (128) PDF 12541KB(48)
摘要:
北斗星基增强系统性能评估
刘瑞华, 耿海潮, 刘亮
2023, 43(4): 736-746. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0039
摘要(1110) HTML全文 (517) PDF 2700KB(102)
摘要:
以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标，评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%，40.57%，30.90%；卫星钟差均方根降低了24.31%，卫星钟差标准差降低了16.8%；空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%；BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°－5°N范围内误差在0.4 m以上，可信度均达到99.9%，在5°－55°N范围内误差小于0.4 m，可信度均为100%；BDSBAS水平定位误差提升超过25%，垂直定位误差提升超过50%，完好性均在99.9%以上。
ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证
陈灯意, 张哲, 江贤恺, 胡一鸣
2023, 43(4): 747-757. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013
摘要(517) HTML全文 (132) PDF 3549KB(101)
摘要:
先进天基太阳天文台卫星（ASO-S）是中国首颗综合性太阳观测任务，太阳硬X射线成像仪（HXI）是ASO-S卫星三大载荷之一，主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法，包含91个子准直器单元。发射前，在地面对HXI进行调制参数定标非常必要，但由于没有平行的X射线源而十分困难。本文根据HXI的基本原理与设计方案，提出了基于地面调制功能定标的设备与HXI调制定标的需求。根据所述需求，介绍了研制的X射线束流调制定标装置；利用该装置对HXI飞行件上所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符，充分证明了准直器与X射线束流定标装置性能优良，该装置还可用于后续类似载荷的定标。
充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制
吴涛涛, 宋晓娟, 吕书锋
2023, 43(4): 758-767. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0038
摘要(386) HTML全文 (102) PDF 3011KB(35)
摘要:
对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型，挠性附件假设为欧拉–伯努利梁，运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰，设计干扰观测器对其进行补偿；在干扰观测器的基础上，设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进，达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动，而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动，具有更好的控制性能。
基于集成学习的空间科学卫星工作模式识别
高立京, 陈志敏, 郭国航, 王春梅
2023, 43(4): 768-779. doi: 10.11728/cjss2023.04.20220301022
摘要(330) HTML全文 (158) PDF 1939KB(56)
摘要:
针对空间科学卫星遥测参数数据量大且特征维度高、需要消耗大量人力资源预先设置海量阈值、预先设置的阈值可能不再适用、现有监测手段可扩展性低等问题，提出了一种基于集成学习的空间科学卫星工作模式识别方法。该方法采用相关系数统计特性和互信息理论对遥测参数数据进行筛选降维，使用数据重采样技术解决数据集中存在的类别不平衡问题，构建集成学习模型，实现空间科学卫星工作模式的识别。借助某型号科学卫星真实遥测参数数据对该方法进行验证，在短时内便可构建完成算法模型，模型对整体类别的识别正确率高达99.67%，可正确识别多数类样本和少数类样本，为地面运控人员判断空间科学卫星工作模式提供了决策依据。
An Improved HVQ Algorithm for Compression and Rendering of Space Environment Volume Data with Multi-correlated Variables
2023, 43(4): 780-785. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0020
摘要(331) HTML全文 (142) PDF 1767KB(20)
摘要:
基于改进组合机器学习的卫星遥测参数预测
姜改新, 刘玉荣
2023, 43(4): 786-792. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0057
摘要(699) HTML全文 (162) PDF 836KB(64)
摘要:
对在轨卫星的运行状态进行监测、分析以及异常检测是卫星在轨运行管理的重要内容。预测卫星遥测参数序列的变化趋势，对卫星异常检测与处置、保障安全运行非常必要。针对目前对于周期性不明显且具有多种变化特征的遥测参数预测精确度不够的问题，本文引入对遥测参数的预测有辅助作用的因素作为协变量，提出了基于改进组合机器学习的预测模型。该模型使用全局模型和局部模型分别获取遥测参数序列的趋势特征和局部不规则波动特征，并采用改进的注意力机制捕获多维参数之间的关联关系，提高了预测精度。此模型可以提供点预测和区间预测的结果，为在轨卫星处置决策提供了更多输入。在科学卫星真实遥测数据集和时间序列公开数据集上验证了本文方法的有效性。

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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